DE835213C

DE835213C - Circuit arrangement for the magnetic oxygen concentration measurement according to the hot wire principle

Info

Publication number: DE835213C
Application number: DEP12126D
Authority: DE
Inventors: Dr Phil Heinz Gruess
Original assignee: Siemens and Halske AG; Siemens AG
Current assignee: Siemens and Halske AG; Siemens AG
Priority date: 1948-10-02
Filing date: 1948-10-02
Publication date: 1952-03-27

Description

Schaltungsanordnung für die magnetische Sauerstoffkonzentrations-Messung nach dem Hitzdrahtprinzip Es ist bereits bekannt, in beliebigen Gasgemischen die Konzentration des Sauerstoffs mittels einer Hitzdrahtanordnung zu messen, die sich in einem magnetischen Feld befindet. Das Verfahren beruht darauf, daß infolge der hohen Suszeptibilität des Sauerstoffs an dem Hitzdraht ein Konvektionsstrom entsteht, dessen Größe von dem Sauerstoffgehalt des Gases abhängt. Der wesentliche Fortschritt gegenüber anderen Hitzdrahtverfahren für gasanalytische Zwecke ist bei diesem hier als bekannt angegebenem Verfahren darin zu erblicken, daß der Konvektionsstrom nur bei paramagnetischen Gasen auftritt und daher alleiii vom Sauerstoffpartialdruck abhängt. Es ist damit ein für diese Gasart spezifisches Meßverfahren geschaffen. Nun hängt die Temperatur eines im magnetischen Feld angeordneten Hitzdrahtes naturgemäß nicht nur vom Sauerstoffl)artial druck ab. sondern infolge von Konvektion im Schwerefeld und infolge der reinen Wärmeleitung auch von anderen, nicht spezifisch dem Sauerstoff eigentümlichen physikalischen Eigenschaften des umgebenden Gases. Ordnet man zur Messung der Temperatur des Hitzdrahtes einen zweiten gleichen, jedoch ohne magnetisches Feld, an und umgiht ihn mit dem gleichen zu analysierenden Gas, so ist wenigstens für den Sauerstoffgehalt O die Temperaturdifferenz zwischen heiden Meßdrähten völlig unabhängig von der weiteren Zusammensetzung des Gases gleich null. Die technisch wichtige Aufgabe, kompliziert zusammengesetzte Gasgemische auf geringe Sauerstoffkonzentrationen zu prüfen, ist demnach auf diese Weise gut zu lösen. Circuit arrangement for magnetic oxygen concentration measurement according to the hot wire principle It is already known that in any gas mixture Measure the concentration of oxygen by means of a hot wire arrangement, which is located located in a magnetic field. The method is based on the fact that as a result of high susceptibility of the oxygen on the hot wire creates a convection current, the size of which depends on the oxygen content of the gas. The essential advance compared to other hot wire methods for gas analysis purposes, this one is here as a known method to be seen in the fact that the convection current only occurs in paramagnetic gases and therefore all depends on the partial pressure of oxygen depends. A measurement process specific to this type of gas is thus created. Now the temperature of a hot wire placed in the magnetic field naturally depends not only from the oxygen artial pressure. but as a result of convection in the gravitational field and as a result of the pure heat conduction also from others, not specifically from oxygen peculiar physical properties of the surrounding gas. One assigns Measure the temperature of the hot wire a second same, but without magnetic Feld, and surrounds it with the same gas to be analyzed, at least that's how it is for the oxygen content O, the temperature difference between the two measuring wires is completely equal to zero regardless of the further composition of the gas. The technical important task, complicated gas mixtures to low oxygen concentrations to be checked is therefore easy to solve in this way.

Trägt man die an einer derartigen Anordnung gemessenen Temperaturdifferenzen des Meß- und Vergleichshitzdrahtes für verschiedene Konzen- trationene an Sauerstoff mit einer beliebigen zweiten Komponente auf, so erhält man Empfindlichkeitskurven für das Meßgeräts, die für die meisten Gasarten sehr nahe beieinander liegen. Nur für Gase mit extrem abweichenden physikalischen Konstantcn, wie \\'ärmeleitung und Zähigkeit, ergibt sich eine starke Abweichung des Kurvenlaufs. If one takes the temperature differences measured on such an arrangement of the measuring and comparison hot wire for different concentrations trationene of oxygen with any second component, sensitivity curves are obtained for the meter, which are very close together for most types of gas. Just for gases with extremely different physical constants, such as conduction and Toughness, there is a strong deviation in the course of the curve.

Wasserstoff z.B. bei geringem O2-Gehalt eine sehr starke Verringerung der Empfindlichkeit, weil die Meßdrahttemperaturen hei konstant gehaltener Heizstromstärke infolge des hohen Leitvermögens sehr stark herabgesetzt sind. Für die Sauerstoffkonzentration 100% ergeben naturgemäß alle Gasarten die gleiche Meßempfindlichkeit, so daß sidh die Kurven in diesem zweiten Punkt ebenfalls schneiden. Hydrogen e.g. with a low O2 content a very strong reduction the sensitivity, because the measuring wire temperatures kept constant heating current are very much reduced due to the high conductivity. For the oxygen concentration 100% naturally result in all types of gas the same measurement sensitivity, so that sidh the curves also intersect at this second point.

Es ist vorgeschlagen worden, den Eiiifluß des Wärmeleitvermögens der Gasmischung auf die Meßdrahttemperaturen ulrd damit auf die Größe des magnetischen Konvektionsstromes dadurch auszuschließen, daß der magnetische Konvektionsstrom innerhalb eines rohrförmigen Tempraturmeßelementes erzeugt wird, welches das zu untersuchende Gas enthält. Außen ist das Rohr von einem Gas konstanter Eigenschaften, praktisch beispielsweise von Luft, umgeben und weist daher eine konstante Übertemperatur auf, unabhängig von der in Innern hefindlichen Gasart. Man verwirklicht diese als isotherm bezeichnete Anordnung dadurch, daß die für die Messung benutztem Hitzdrähte um cin dünnes Isolierröhren, beispielsweise aus Glas, gewickelt werden. Der Meß- und der Vergleichszweig einer Wheatstonebrücke liegen in dem Gasstrom. der durch einseitiges Anordnen eines starken magnetischen Feldes erzeugt wird, entweder hintereinander oder nebeneinander. Tritt infolge eines Sauerstoffgehaltes eion magnetischer Konvektionsstrom auf, so wird das Nteßelement durch gekühlt. während das im Gasstrom dahintergeschaltete, sonst gleiche Vergleichselement die fühlbare Wärme des aufgeheizten Gasstromes erhält und daher mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit erwärmt wird. Die auftretende Temperaturdifferenz ist weitgehend unabhängig von der Wärmeleitfähigkeit des Gases. Es hat sich jedoch gezeigt, daß beispielsweise wasserstoffhalrige Gase infolge geringerer Zähigkeit und Dichte im Gegeiisatz zu der zuerst heschrielienen Meßanordnung in dieser zweiten isothermen Anordnung eine höhere Empfindlichkeit besitzen als Gasmischungen. die hei gleicher Sauerstoffkonzentration beispielsweise Stickstoff oder Kohlendioxyd enthalten. It has been suggested to reduce the flow of thermal conductivity the gas mixture on the measuring wire temperatures ulrd thus on the size of the magnetic Exclude convection current by the fact that the magnetic convection current is generated within a tubular Tempraturmeßelementes, which to contains gas to be investigated. Outside the tube is a gas of constant properties, practically, for example, surrounded by air and therefore has a constant excess temperature regardless of the type of gas inside. One realizes this as Isothermally designated arrangement in that the hot wires used for the measurement be wrapped around a thin insulating tube, for example made of glass. The measuring and the comparison branch of a Wheatstone bridge are in the gas flow. the through unilateral arrangement of a strong magnetic field is generated, either one behind the other or side by side. A magnetic convection current occurs as a result of the oxygen content on, the hot element is cooled through. while the downstream in the gas flow, otherwise the same comparison element receives the sensible heat of the heated gas flow and is therefore heated with increasing flow velocity. The occurring The temperature difference is largely independent of the thermal conductivity of the gas. However, it has been shown that, for example, hydrogen-containing gases as a result of lower Toughness and density in contrast to the measuring arrangement first described in this second isothermal arrangement have a higher sensitivity than gas mixtures. the same oxygen concentration as nitrogen or carbon dioxide contain.

Erfindungsgemäß wird nun die unterschiedliche Empfindlichkeit für verschiedene Gasarten in der N lessung dadurch kompensiert, daß das zu messende Gas einem durch den Hitzdraht verursachten Temperaturgefälle in einem Magnetfeld ausgesetzt wird und gleichzeitig von einem weiteren, unter dem i'influß eines Magnetfeldes stehenden elektrisch lieheizteii hohen Meßsystem in der ganzen Ausdehnung seines Hohlraumes auf dessen Wandtemperatur gebracht wird, wobei die Beeinflussung der Temperaturen beiden Meßsysteme durch die sich ausbildenden magnetischen Konvektionsströme als Aleßgröße dient. l)ie Summe der lx'ideii Effekte v wirkt dann aul das Galvanometer im Diagonalzweig der aus den beiden Arten von Meßelementen gebildeten Brücke ein. Entweder schaltet man beide Einrichtungen neben- oder hindurcheinander in en gleichen Zweigder Brücke oder in gegenüberliegende Zweige. According to the invention, the different sensitivity for different types of gas in the measurement are compensated by the fact that the to be measured Gas a temperature gradient caused by the hot wire in a magnetic field is exposed and at the same time by another, under the influence of a magnetic field standing electrically heated high measuring system in the whole extent of his The cavity is brought to its wall temperature, influencing the Temperatures of both measuring systems due to the magnetic convection currents that develop serves as a meal size. l) The sum of the lx'ideii effects v then acts on the galvanometer in the diagonal branch of the bridge formed from the two types of measuring elements. Either you switch both devices side by side or through each other in the same way Branch of the bridge or in opposite branches.

Durch Dimensionierung der Meßelemente kani man erreichen, daß mindestens für eine beliebig wählbare mittlere Sauerstoffkonzentration die Empfindlichkeit unabhängig von der zweiten Gasart avird, so daß für Gasmischungen mit l'elieliig vielen Komponenten eine exakte Sauerstoffmessung unabhängig von der sonstigeil Zusammensetzung ermöglicht wird. Exakt wird diese Unabhängig keit zwar nur für eine liestimmte Sauerstoffkonzentration erreicht. Es hat sich jedoch gezeigt, daß die Kompensation in genügend großen Bereichen ausreichend genau arheitet.By dimensioning the measuring elements one can achieve that at least the sensitivity for an arbitrarily selectable mean oxygen concentration independent of the second type of gas avird, so that for gas mixtures with l'elieliig many components an exact oxygen measurement regardless of the other composition is made possible. This independence is only exact for a reading-correct oxygen concentration achieved. However, it has been shown that the compensation can be achieved in sufficiently large areas arheitet sufficiently accurate.

In der Zeichnung sind in Fig. t und Fig. 2 zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. In Fig. 1 sind die heiden einem magnetischen Fel(l ausgesetzten verschiedenartigen Meßelemente in gegenüberliegenden Zweigen der Wheatstonebrücke angeordnet, während nach Fig. 2 ein isothermes Meßsystem das andere. Temperaturgefälle erzeugende Meßdrahtsystem konzentrisch umgibt. In the drawing, two exemplary embodiments are shown in FIG. 1 and FIG of the invention shown. In Fig. 1 the two are exposed to a magnetic field various measuring elements in opposite branches of the Wheatstone Bridge arranged, while according to Fig. 2, an isothermal measuring system the other. Temperature gradient generating measuring wire system surrounds concentrically.

In Fig. 1 ist das isotherme Meßdrahtsystem mit 1 bezeichnet, der dazu gehörende Vergleichsdraht mit 2. Das andere, Temperaturgefälle erzeugende System führt die Bezeichnung 3 und der dazu gehörende Vergleichsdraht ist mit 4 bezeichnet. In der Diagonale der Brücke liegt das Galvanometer 5. Die Speisung der Brücke erfolgt über die Spannungsteiler 6 Unt 7. Durch diese Anordnung der Systeme und ihrer Vergleichssysteme ist eine völlige Symmetrie gewährleistet. Zur Feinabstimmung der Empfindlichkeit beider Hälften derart, daß die Sauerstoffempfindlichkeit unabhängig von der Zusammensetzung des Gasgemisches wird. kann man die Stärke des einen Magnetfeldes verändern, während das andere konstant gehalten wird. Vorzutiehen ist jedoch eine Methode, nach der die Temperatur der Hitzdrahtelemente derart variiert wird, daß sich die Überempfindlichkeit, beispielsweise für Wasserstoff, an der einen Art Nleßelemeiit durch die Unterempfindlichkeit an dem anderen kompensiert. Zu diesem Zweck dienen die Widerstande 6 und 7, die eiiieii verstellbaren Mittelabgriff für <lie Stromzuführung aufweisen. In Fig. 1, the isothermal measuring wire system is denoted by 1, the corresponding reference wire with 2. The other system that generates temperature gradients is labeled 3 and the corresponding reference wire is labeled 4. The galvanometer 5 is located on the diagonal of the bridge. The bridge is supplied with power via the voltage divider 6 Unt 7. By this arrangement of the systems and their comparison systems complete symmetry is guaranteed. To fine-tune the sensitivity both halves in such a way that the oxygen sensitivity is independent of the composition of the gas mixture. one can change the strength of a magnetic field while the other is kept constant. However, one method is to be brought forward according to which the temperature of the hot wire elements is varied in such a way that the hypersensitivity, for example for hydrogen, one type of neglect due to hypersensitivity compensated at the other. For this purpose the resistors 6 and 7, the Eiiieii have adjustable center tap for <lie power supply.

In der Fig. 2 umgibt jeweils ein isothermes System ein ein Temperaturgefälle erzeugen des System, also ein System 1 cin System 1 a und das entsprechende Vergleichssystem 2 den Vergleichsdraht 2a. Entweder werden beide Systeme parallel geschaltet, was jedoch die Stromstärke der Einrichtung unnötig vergrößert. oder sie werden hintereinander in einen Zweig der Brücke geschaltet. Diese Anordnungen haben vor der erstgenannten den Vorzug, daß für beide Hitzdraht- systeme nur ein einziges Magnetfeld gebraucht wird. Auch hier kann die Abstimung der beiden Arten von Hitzdrahtsystemen auf gleiche Empfindlichkeit durch Veränderung der Spannungsteiler 6 und 7 durchgeführt werden. Es genügt, in diesem Fall auch nur einen dieser Widerstände vorzusehen; denn in der dargestellten Anordnung mit insgesamt 4 isothermen Systemen und 4 llitzdrähten bleibt die Symmetrie der Brücke bei Verstellung nur eines der beide Spannungsteiler 6 oder 7 erhalten. In FIG. 2, an isothermal system surrounds a temperature gradient generating the system, i.e. a system 1 cin system 1 a and the corresponding comparison system 2 the comparison wire 2a. Either both systems are connected in parallel, what however, the amperage of the device is unnecessarily increased. or they will one after the other switched to a branch of the bridge. These arrangements have preceded the former the advantage that for both hot wire systems only have a single magnetic field is needed. Here, too, the two types of hot wire systems can be coordinated to the same sensitivity by changing the voltage dividers 6 and 7 carried out will. In this case, it is sufficient to provide only one of these resistors; because in the arrangement shown with a total of 4 isothermal systems and 4 stranded wires the symmetry of the bridge remains when only one of the two voltage dividers is adjusted Get 6 or 7.

In einer Ausführung bei der die Systeme 3, 3n, 4 und Aa durch unveränderliche Widerstände ersetzt wären und die den Vorteil der Einfachheit mit dem Nachteil geingerer Empfindlichkeit verbinden, würde, müßten dagegen, wie in der Einrichtung gemäß Fig. t, die beiden Spannungsteiler gleichmäßig verstellt werden, damit der Nullpunkt unverändert erhalten bleiht. In allen Fällen gehen Übergangswiderstände an dem Mittelabgriff der Spanitungsteiler nicht in die äußerst empfindliche Brückenmessung ein. In an embodiment in which the systems 3, 3n, 4 and Aa by immutable Resistors would be replaced and which have the advantage of simplicity with the disadvantage of lower Connect sensitivity would, however, have to, as in the device according to Fig. t, the two voltage dividers are adjusted equally so that the zero point remains unchanged. In all cases, contact resistances go to the center tap the voltage divider is not included in the extremely sensitive bridge measurement.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Circuit arrangement for magnetic oxygen concentration measurement according to the hot wire principle, characterized in that the gas to be measured is a exposed to temperature gradients caused by the hot wire in a magnetic field is and at the same time by another, under the influence of a magnetic field electrically heated hollow measuring system in the entire extent of its cavity is brought to its wall temperature, influencing the temperatures both measuring systems by the developing magnetic convection current as Measured variable is used.

2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the two types of magnetically influenced support wires with their corresponding ones. Comparative hot wires not exposed to special magnetic fields into a Wheatstone ash Bridge are connected in such a way that only the magnetically induced convection currents take effect on the measuring device and the thermal convection currents not in the Measurement received.

3. Circuit arrangement according to claim 2, characterized in that the two magnetically influenced systems (I and 3 in Fig. 1) in opposite directions Branches of a Wheatstone bridge are located, while the magnetically unaffected Systems (2 and 4 in Fig. 1) in the other two opposite branches the bridge.

4. Circuit arrangement according to claim 3, characterized in that at the feed points of the Wheatstone bridge (6 and 7 in Fig. 1) voltage divider are arranged to adjust the sensitivity of the two magnetically influenced System types.

5. Circuit arrangement according to claim 4, characterized in that the two magnetically influenced system types (I and Ia in Fig. 2) together in the same branch of the Wheatstone Bridge.

6. Circuit arrangement according to claim 5, characterized in that in the opposite branch of the bridge also both types of system (4 and 4a in Fig. 2) are arranged.

7. Circuit arrangement close to claim 6, characterized in that for both types of magnetic systems located in one branch of the bridge (1 and 1a in Fig. 2) a common magnetic field is provided.

(8. Circuit arrangement according to claim 7, characterized in that that the two types of system parallel in one branch of the Wheatstone bridge are present with a preferred arrangement of only one voltage divider (6 in Fig. 2) one of the feeding points of the Wheatstone bridge for the purpose of adjusting the sensitivity of the two magnetically influenced system types (I and Ia in Fig. 2).